天津大学化工原理第二版上册课后习题答案.docx

资源描述

天津大学化工原理第二版上册课后习题答案.docx

《天津大学化工原理第二版上册课后习题答案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《天津大学化工原理第二版上册课后习题答案.docx（59页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

天津大学化工原理第二版上册课后习题答案.docx

天津大学化工原理第二版上册课后习题答案

　　　　本文由风行五代2010贡献

　　　　doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。

建议您优先选择TXT,或下载源文件到本机查看。

　　　　绪

　　　　论

　　　　1.　从基本单位换算入手,将下列物理量的单位换算为　SI　单位。

　（1水的黏度　μ=0.00856　g/（cm・s　（2密度　ρ=138.6　kgf　?

s2/m4　（3某物质的比热容　CP=0.24　BTU/（lb・℉　（4传质系数　KG=34.2　kmol/（m2?

atm　（5表面张力　σ=74　dyn/cm　（6导热系数λ=1　kcal/（m?

℃　解:

本题为物理量的单位换算。

　（1水的黏度　基本物理量的换算关系为　1　kg=1000　g,1　m=100　cm　则

　　　　μ　=　0.00856?

　　　　g　?

　1kg　?

100cm　?

　=　8.56　×　10　?

　4　kg　（m　?

　s　　=　8.56　×　10　?

　4　Pa　?

　s　?

　cm　?

　s　?

1000g　?

　1m　?

　　　　（2密度　基本物理量的换算关系为　1　kgf=9.81　N,1　N=1　kg?

m/s2　则

　　　　ρ　=　138.6　?

　　　　kgf　?

　s　2　?

　9.81N　?

1kg　?

　m　s　2　?

　3　?

　=　1350　kg　m　?

　m　4　?

　1kgf　?

　1N　?

　　　　（3从附录二查出有关基本物理量的换算关系为　1　BTU=1.055　kJ,l　b=0.4536　kg

　　　　1o　F　=　5o　C　9

　　　　则

　　　　BTU　?

1.055kJ　?

　1lb　?

　1°F　?

　c　p　=　0.24?

　=　1.005　kJ　（kg　?

　°C　　?

　lb°F　?

　1BTU　?

　0.4536kg　?

　5　9　°C　?

　　　　（4传质系数　基本物理量的换算关系为　1　h=3600　s,1　atm=101.33　kPa　则

　　　　kmol　?

　1h　?

　1atm　?

5　2　K　G　=　34.2　?

　2　?

　3600s　?

101.33kPa　?

　=　9.378　×　10　kmol　（m　?

　s　?

　kPa　　?

　m　?

　h　?

　atm　?

　　　　（5表面张力　基本物理量的换算关系为　1　dyn=1×10–5　N　1　m=100　cm　则

　　　　σ　=　74?

　　　　dyn　?

1　×　10　N　?

100cm　?

2　?

　=　7.4　×　10　N　m　?

　cm　?

　1dyn　?

　1m　?

　　　　（6导热系数　基本物理量的换算关系为　1　kcal=4.1868×103　J,1　h=3600　s　　　　1

　　　　则

　　　　λ　=　1?

　　　　3　?

　kcall　?

　4.1868　×　10　J　?

　1h　?

　3600s　?

　=　1.163　J　（m　?

　s　?

　°C　　=　1.163　W　（m　?

　°C　　2　?

　1kcal　?

　m　?

　h　?

　°C　?

　　　　2.　乱堆　25cm　拉西环的填料塔用于精馏操作时,等板高度可用下面经验公式计算,即

　　　　H　E　=　3.9　A（2.78　×　10　?

　4　G　　（12.01D　　（0.3048Z　0　

　　　　B　C

　　　　αμ　L　ρL

　　　　式中　HE—等板高度,ft;　G—气相质量速度,lb/（ft2?

h;　D—塔径,ft;　Z0—每段（即两层液体分布板之间填料层高度,ft;　α—相对挥发度,量纲为一;　μL—液相黏度,cP;　ρL—液相密度,lb/ft3　A、B、C　为常数,对　25　mm　的拉西环,其数值分别为　0.57、-0.1　及　1.24。

　试将上面经验公式中各物理量的单位均换算为　SI　单位。

　解:

　上面经验公式是混合单位制度,　液体黏度为物理单位制,　而其余诸物理量均为英制。

　经验公式单位换算的基本要点是:

　找出式中每个物理量新旧单位之间的换算关系,　导出物理　量“数字”的表达式,然后代入经验公式并整理,以便使式中各符号都变为所希望的单位。

　具体换算过程如下:

　（1从附录查出或

计算出经验公式有关物理量新旧单位之间的关系为　1ft　=　0.3049m

　　　　1　lb　（ft　2　?

　h　　=　1.356　×　10　?

3　kg　（m　2　?

　　　　α　量纲为一,不必换算

　　　　（见　1

　　　　1cp　=　1　×　10　?

3　Pa　?

　　　　lb　?

　1kg　?

　3.2803ft　?

3　2　=1　?

　3　?

　=16.01　kg/m　ft　?

　ft　?

　2.2046lb　?

　1m　?

　　　　（2　将原符号加上“′”以代表新单位的符号,导出原符号的“数字”表达式。

下面　以　HE　为例:

　　　　′　H　E　ft　=　H　E　m

　　　　则　同理

　　　　′　HE　=　HE

　　　　m　m　3.2803ft　′　′　=　HE　×　=　3.2803H　E　ft　ft　m

　　　　G　=　G　′　（1.356　×　10　?

3　　=　737.5G　′

　　　　D　=　3.2803D　′　′　Z　0　=　3.2803Z　0　′　μ　L　=　μ　L　（1　×　10　?

　　　　′　′　ρ　L　=　ρ　L　16.01　=　0.06246　ρ　L

　　　　（3　将以上关系式代原经验公式,得　′　3.2803H　E　=　3.9　×　0.57　2.78　×　10　?

4　×　737.5G　′

　　　　（

　　　　　（12.01　×　3.2803D　′

　　　　-0.1

　　　　1.24

　　　　（0.3048　×　×3.2803Z　0′　1　3　?

　α　?

　　　　′　1000μ　L　′　0.0624　ρ　L

　　　　整理上式并略去符号的上标,便得到换算后的经验公式,即

　　　　H　E　=　1.084　×　10　?

　4　A（0.205G　

　　　　-0.1

　　　　（39.4　D　1.24　Z　0　1　3　αμ　L

　　　　ρL

　　　　第一章　流体流动　流体的重要性质　1.某气柜的容积为　6　000　m3,若气柜内的表压力为　5.5　kPa,温度为　40　℃。

已知各组　分气体的体积分数为:

H2　40%、　N2　20%、CO　32%、CO2　7%、CH4　1%,大气压力为　101.3　kPa,　试计算气柜满载时各组分的质量。

　解:

气柜满载时各气体的总摩尔数

　　　　pV　（101.3　+　5.5　×　1000.0　×　6000　=　mol　=　246245.4mol　RT　8.314　×　313　各组分的质量:

　nt　=

　　　　m　H　2　=　40%n　t　×　M　H　2　=　40%　×　246245.4　×　2kg　=　197　kg　m　N　2　=　20%n　t　×　M　N　2　=　20%　×　246245.4　×　28kg　=　1378.97　kg

　　　　mCO　=　32%　n　t　×　M　CO　=　32%　×　246245.4　×　28kg　=　2206.36kg　mCO　2　=　7%　n　t　×　M　CO　2　=　7%　×　246245.4　×　44kg　=　758.44kg　mCH　4　=　1%　n　t　×　M　CH　4　=　1%　×　246245.4　×　16kg　=　39.4kg

　　　　2.若将密度为　830　kg/　m3　的油与密度为　710　kg/　m3　的油各　60　kg　混在一起,试求混合油　的密度。

设混合油为理想溶液。

　解:

　m　t　=　m1　+　m2　=　（60　+　60kg　=　120kg

　　　　Vt　=　V1　+　V2　=

　　　　ρ1

　　　　60　60　?

　3　3　=?

　830　+　710　?

m　=　0.157m　?

　ρ2　?

　1　?

　　　　ρm　=

　　　　mt　120　3　3　=　kg　m　=　764.33　kg　m　Vt　0.157

　　　　流体静力学　3.已知甲地区的平均大气压力为　85.3　kPa,乙地区的平均大气压力为　101.33　kPa,在甲　地区的某真空设备上装有一个真空表,其读数为　20　kPa。

若改在乙地区操作,真空表的读数　为多少才能维持该设备的的绝对压力与甲地区操作时相同?

　解:

　（1设备内绝对压力　绝压=大气压-真空度=　85.3　×　10　3　?

　20　×　10　3　Pa　=　65.3kPa　（2真空表读数　真空度=大气压-绝压=　101.33　×　10　3　?

　65.3　×　10　3　Pa　=　36.03kPa　4.某储油罐中盛有密度为　960　kg/m3　的重油（如附图所示　,油面最高时离罐底　9.5　m,　油面上方与大气相通。

在罐侧壁的下部有一直径为　760　mm　的孔,其中心距罐底　1000　mm,　孔盖用　14　mm　的钢制螺钉紧固。

若螺钉材料的工作压力为　39.5×106　Pa,问至少需要几个螺　钉（大气压力为　101.3×103　Pa?

　解:

由流体静力学方程,距罐底　1000　mm　处的流体压力为

　　　　（

　　　　p　=　p　+　ρgh　=　101.3　×　103　+　960×　9.81×　（9.5　?

　1.0　Pa　=　1.813×103　Pa（绝压

　　　　作用在孔盖上的总力为

　　　　π　F　=　（　p　?

　pa　　A=（.813×103-　.3　×103　×　0.762　N=3.627×104　

N　×　1　101　4　每个螺钉所受力为　π　F1　=　39.5　×10×　÷　0.0142　N　=　6.093×103　N　4　因此

　　　　[

　　　　]

　　　　n　=　F　F1　=　3.627×104　（6.093×103　N　=　5.95　≈　6　（个

　　　　习题　4　附图

　　　　习题　5　附图

　　　　5.如本题附图所示,流化床反应器上装有两个　U　管压差计。

读数分别为　R1=500　mm,　R2=80　mm,指示液为水银。

为防止水银蒸气向空间扩散,于右侧的　U　管与大气连通的玻璃　管内灌入一段水,其高度　R3=100　mm。

试求　A、B　两点的表压力。

　解:

　（1A　点的压力

　　　　p　A　=　ρ　水　gR3　+　ρ　汞　gR　2　=　（1000　×　9.81　×　0.1　+　13600　×　9.81　×　0.08Pa　=　1.165　×　10　4　Pa（表

　　　　（2B　点的压力

　　　　pB　=　pA　+　ρ汞　gR1

　　　　=　（1.165×104　+13600×　9.81×　0.5Pa　=　7.836×104　Pa（表

　　　　6.如本题附图所示,水在管道内流动。

为测量流体压力,　在管道某截面处连接　U　管压差计,指示液为水银,读数　R=100　mm,h=800　mm。

为防止水银扩散至空气中,在水银面上方充入　少量水,其高度可以忽略不计。

已知当地大气压力为　101.3　kPa,　试求管路中心处流体的压力。

　解:

设管路中心处流体的压力为　p　根据流体静力学基本方程式,　pA　=　pA′　则　p　+ρ水　gh　+ρ汞　gR　=　pa　习题　6　附图

　　　　=　（101.3　×　10　3　?

　1000　×　9.8　×　0.8　?

　13600　×　9.8　×　0.1Pa　=　80.132kPa

　　　　7.某工厂为了控制乙炔发生炉内的压力不超过　13.3　kPa（表压　,在炉外装一安全液封管（又称水封　装置,如本题附图所示。

液封的作用是,当炉内压力　超过规定值时,气体便从液封管排出。

试求此炉的安　全液封管应插入槽内水面下的深度　h。

　解:

　ρ　水　gh　=　13.3

　　　　p　=　p　a　?

　ρ　水　gh　?

　ρ　汞　gR

　　　　h　=　13.3　（ρ　水　g　　=　13.3　×　1000　（1000　×　9.8　m　=　1.36m

　　　　习题　7　附图

　　　　流体流动概述　8.　密度为　1800　kg/m3　的某液体经一内径为　60　mm　的管道输送到某处,若其平均流速为　0.8　m/s,求该液体的体积流量（m3/h　、质量流量（kg/s和质量通量[kg/（m2・s]。

　解:

　Vh　=　uA　=　u

　　　　π　2　3.14　d　=　0.8　×　×　0.06　2　×　3600　m　3　s　=　8.14　m　3　h　4　4　π　3.14　ws　=　uAρ　=　u　d　2　ρ　=　0.8　×　×　0.06　2　×　1000　kg　s　=　2.26　kg　s　4　4　G　=　uρ　=　0.8　×　1000　kg　（m　2　?

　s　　=　800　kg　（m　2　?

　　　　9.在实验室中,用内径为　1.5　cm　的玻璃管路输送　20　℃的　70%醋酸。

已知质量流量为　10　kg/min。

试分别用用　SI　和厘米克秒单位计算该流动的雷诺数,并指出流动型态。

　解:

（1用　SI　单位计算　查附录　70%醋酸在　20　℃时,　ρ　=　1069　kg　m　3　,μ　=　2.50　×　10　?

3　Pa　?

　　　　d　=　1.5cm　=　0.015m　u　b　=　10　（60　×　π　4　×　0.015　2　×　1069　m　s　=　0.882　m　s

　　　　Re　=　du　b　ρ

　　　　=　0.015　×　0.882　×　1069　（2.5　×　10　?

3　　=　5657

　　　　故为湍流。

　　　　（2用物理单位计算

　　　　ρ　=　1069　g　cm　3　,μ　=　0.025　g　（cm　?

　　　　d　=　1.5cm　,　u　b　==　88.2c　m　s

　　　　Re　=　du　b　ρ

　　　　=　1.5　×　88.2　×　1.069　0.025　=　5657

　　　　10.有一装满水的储槽,直径　1.2　m,高　3　m。

现由槽底部的小孔向外排水。

小孔的直　径为　4　cm,测得水流过小孔的平均流速　u0　与槽内水面高度　z　的关系为:

　　　　u　0　=　0.62　2　zg

　　　　;　试求算（1放出　1　m3　水所需的时间（设水的密度为　1000　kg/m3（2又若槽中装满

　　　　煤油,其它条件不变,放出　1m3　煤油所需时间有何变化（设煤油密度为　800　kg/m3?

　解:

放出　1m3　水后液面高度降至　z1,则

　　　　z1　=　z　0　?

　1　=　（3　?

　0.8846m　=　2.115m　0.785×1.2　2

　　　　dM　=　0　,　w1　=　0　dθ

　　　　由质量守恒,得

　　　　w2　?

　w1　+

　　　　（无水补充

　　　　（A0为小孔截面积

　　　　w2　=　ρ　u0　A0　=　0.62　ρ　A0　2　gz

　　　　M　=　ρAZ

　　　　（A　为储槽截面积

　　　　dz　=0　dθ

　　　　故有　即

　　　　0.62　ρA0　2　gz　+　ρA

　　　　dz　2　gz

　　　　=　?

0.62

　　　　A0　dθ　A

　　　　上式积分得

　　　　θ=

　　　　A　1　（　z　1　2　?

　z　1　2　　0　A0　0.62　2　g　（

　　　　1　?

　12　12　=　?

　（3　?

　2.115　s　=　126.4s　=　2.1min　0.62　2　×　9.81　?

　0.04

　2　11.如本题附图所示,高位槽内的水位高于地面　7　m,水从φ108　mm×4　mm　的管道中　流出,管路出口高于地面　1.5　m。

已知水流经系统的能量损失可按∑hf=5.5u2　计算,其中　u　为水在管内的平均流速（m/s　。

设流动为稳态,试计算（1A-A'截面处水的平均流速;　2　（　3　。

　水的流量（m　/h　解:

（1A-　A'截面处水的平均流速　在高位槽水面与管路出口截面之间列机械能衡算方程,得　1　2　p　1　2　p　gz1　+　ub1　+　1　=　gz2　+　ub2　+　2　+　∑　hf　2　ρ　2　ρ

　　　　（1　　式中

　　　　z1=7　m,ub1~0,p1=0（表压　z2=1.5　m,p2=0（表压　ub2　=5.5　u2　,　代入式（1得

　　　　1　9.81×　7　=　9.81×1.5　+　ub22　+　5.5ub22　2

　　　　u　b　=　3　.0　m　s

　　　　（2水的流量（以　m3/h　计

　　　　Vs　=　u　b2　A　=　3.0　×

3.14　2　×　（0.018　?

　2　×　0.004　=　0.02355　m　3　s　=　8

4.78　m　3　h　4

　　　　习题　11　附图

　　　　习题　12　附图

　　　　12.20　℃的水以　2.5　m/s　的平均流速流经φ38　mm×2.5　mm　的水平管,此管以锥形管　与另一φ53　mm×3　mm　的水平管相连。

如本题附图所示,在锥形管两侧　A、B　处各插入一　垂直玻璃管以观察两截面的压力。

若水流经　A、B　两截面间的能量损失为　1.5　J/kg,求两玻　璃管的水面差（以　mm　计　,并在本题附图中画出两玻璃管中水面的相对位置。

　解:

在　A、B　两截面之间列机械能衡算方程　1　2　p　1　2　p　gz1　+　ub1　+　1　=　gz2　+　ub2　+　2　+　∑　hf　ρ　ρ　2　2　式中　z1=z2=0,　u　b1　=　3.0　m　s

　　　　A　u　b2　=　u　b1　?

　1　?

A　?

　2　?

d2　?

　=　u　b1　?

　12　?

d　?

　2　?

　0.038　?

　0.0025×　2　?

　=　2.5?

　m　s　=　1.232　m　s　?

　0.053　?

　0.003×　2　?

　　　　∑hf=1.5　J/kg

　　　　p1　?

　p　2

　　　　故

　　　　u　b2　=

　　　　2　2　u　b2　?

　u　b1　+　2

　　　　∑

1.2322　?

2.5　2　?

　hf　=　?

　+　1.5　?

　J　kg　=　?

0.866　J　kg　?

　2　?

　　　　p1　?

　p　2　=　0.866　9.81m　=　0.0883m　=　88.3mm　ρg

　　　　13.如本题附图所示,用泵　2　将储罐　1　中的有机混合液送至精　馏塔　3　的中部进行分离。

已知储罐内液面维持恒定,其上方压力为　1.0133　×　105　Pa。

流体密度为　800　kg/m3。

精馏塔进口处的塔内压力　为　1.21　×　105　Pa,进料口高于储罐内的液面　8　m,输送管道直径为φ　68　mm　×　4　mm,进料量为　20　m3/h。

料液流经全部管道的能量损失　为　70　J/kg,求泵的有效功率。

　解:

在截面　A-A′　和截面　B　-　B′　之间列柏努利方程式,得

　　　　u12　p　u2　+　gZ1　+　We　=　2　+　2　+　gZ　2　+　∑　hf　ρ　2　ρ　2　5　p1　=　1.0133×10　Pa;p　2　=　1.21×10　5　Pa;Z　2　?

　Z　1　=　8.0m;　p1　+

　　　　u1　≈　0;　u2　=

　　　　∑h

　　　　=　70　J　kg

　　　　习题　13　附图

　　　　20　3600　V　V　=　=　m　s　=　1.966　m　s　π　2　3.14　A　2　d　×　（0.068　?

　2　×　0.004　4　4　2　p　?

　p1　u2　?

　u12　We　=　2　+　+　g　（　Z　2　?

　Z1　　+　∑　hf　ρ　2

　　　　（1.21　?

　1.0133×105　1.9662　?

　We　=　?

　+　+　9.8　×　8.0　+　70?

　J　kg　800　2　?

　14.本题附图所示的贮槽内径　=　（2.46　+　1.93　+　78.4　+　70　J　kg　=　175　J　kg　N　e　=　wsWe　=　20　3600×　800　×173　W　=　768.9W

　　　　D=2　m,槽底与内径　d0　为　32　mm　的钢管相连,槽内无液体补充,其初始液面高度　h1　为　2　m　（以管子中心线为基准　。

液体在管内流动时的全部能量损失可按∑hf=20　u2　计算,式中的　u　为液体在管内的平均流速（m/s　。

试求当槽内液面　下降　1　m　时所需的时间。

　解:

由质量衡算方程,得

　　　　W1　=　W2　+　dM　dθ

　　　　（1

　　　　W1　=　0,　W2　=　π　2　d　0　ub　ρ　4

　　　　习题　14　附图

　　　　（2

　　　　dM　π　2　dh　=　Dρ　dθ　4　dθ　将式（2（3代入式（1得　,

　　　　π　2　π　dh　d　0　ub　ρ　+　D　2　ρ　=0　4　4　dθ

　　　　（3

　　　　即

　　　　ub　+　（

　　　　D　2　dh　　=0　d　0　dθ

　　　　（4

　　　　在贮槽液面与管出口截面之间列机械能衡算方程

　　　　gz1　+

　　　　2　ub1　p1　u2　p　+　=　gz2　+　b　2　+　2　+　∑　hf　2　ρ　2　ρ

　　　　即　或写成

　　　　gh　=

　　　　ub2　u2　2　2　+　∑　hf　=　b　+　20ub　=　20.5ub　2　2

　　　　20.5　2　ub　9.81

　　　　ub　=　0.692　h

　　　　（5

　　　　式（4与式（5联立,得

　　　　0.692　h　+　（　2　2　dh　　=0　0.032　dθ

　　　　即　i.c.　积分得

　　　　5645

　　　　dh　h

　　　　=　dθ

　　　　θ=0,h=h1=2　m;θ=θ,h=1m

　　　　θ　=　?

5645　×　2[1　?

　21　2　]s　=　4676s　=　1.3h

　　　　动量传递现象与管内流动阻力　15.某不可压缩流体在矩形截面的管道中作一维定态层流流动。

设管道宽度为　b,高度

　　　　2y0,且　b>>y0,流道长度为　L,两端压力降为　?

p　,试根据力的衡算导出（1剪应力τ随高

　　　　度　y（自中心至任意一点的距离变化的关系式;　（2通道截面上的速度分布方程;　（3平　均流速与最大流速的关系。

　解:

　（1由于　b>>y0　,可近似认为两板无限宽,故有

　　　　1　?

p　（?

p　?

　2　yb　=　y　2bL　L　（2将牛顿黏性定律代入（1得　du　τ　=　?

μ　dy　du　?

p　μ　=　y　dy　L

　　　　τ=

　　　　（1

　　　　上式积分得

　　　　u=　?

p　2　y　+C　2　μL

　　　　（2

　　　　边界条件为　y=0,u=0,代入式（2中,得　C=-　C　=　因此

　　　　u=　?

p　2　（　y　2　?

　y0　　2μL

　　　　p　2　y0　2　μL

　　　　（3

　　　　（3当　y=y0,u=umax　?

p　2　故有　umax　=　?

　y0　2　μL　再将式（3写成

　　　　y　?

　u　=　umax　?

1　?

　（　　2　?

　y0　?

　　　　（4

　　　　根据　ub　的定义

展开阅读全文